畢業(yè)設(shè)計----高層建筑的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計.doc

武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）I畢業(yè)設(shè)計論文目錄摘要.IABSTRACT.II1緒論.11.1高層建筑供水方式的發(fā)展.11.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀.21.3課題的主要研究設(shè)計內(nèi)容.42供水系統(tǒng)簡介.52.1水泵供水的主要參數(shù).52.2供水系統(tǒng)的基本特性.52.3水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理.63供水系統(tǒng)的整體設(shè)計方案.93.1供水系統(tǒng)的構(gòu)成.93.2供水系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能.113.3供水系統(tǒng)工作原理.124供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計.154.1供水系統(tǒng)的硬件組成.154.2可編程控制器(PLC)選型.154.3變頻器選型.164.4水泵及其電動機(jī)的選型.174.5遠(yuǎn)傳壓力表選型.184.6觸摸屏.194.7軟啟動器、自耦變壓器.194.8PLC用隔離變壓器、低壓電器、控制柜.194.9供水系統(tǒng)電路設(shè)計.204.9.1系統(tǒng)主電路.20武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）II4.9.2系統(tǒng)控制電路.204.9.3PLCI/O分配.214.9.4缺水保護(hù)電路.225供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計.245.1PID調(diào)節(jié).245.1.1PID調(diào)節(jié)原理.245.1.2PID參數(shù)設(shè)置.255.1.3PID設(shè)定值的調(diào)整.265.1.4PID控制算法.275.2系統(tǒng)運行主程序.275.3故障檢測子程序.285.4數(shù)字PID子程序.295.5泵切換程序.305.6對外通訊子程序.326實驗室現(xiàn)場調(diào)試與小結(jié).336.1硬件功能性調(diào)試.336.2系統(tǒng)總體調(diào)試.336.3小結(jié).34結(jié)束語.35參考文獻(xiàn).36附錄PLC梯形圖.37致謝.44武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）I摘要隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本設(shè)計首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理。接著分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案，通過研究和比較，采用變頻器和PLC實現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸。然后用PID對系統(tǒng)中的恒壓控制器進(jìn)行設(shè)計，最后對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，該變頻恒壓供水系統(tǒng)可運用于許多實際的供水控制系統(tǒng)中，并能夠取得穩(wěn)定可靠的運行效果和良好的節(jié)能效果。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）IIABSTRACTWiththerapiddevelopmentofsocialeconomy,itdemandsthebetterofwatersupplysqualityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.Thisdesignexplainswatersupplysystemsenergy-savingprincipleofpumpofspeedcontrolaccordingtocharacteristiccurveofrunningpipelinesandwaterpump,analyzesthestructureofVFspeedregulatingconstantpressurewatersupplyandgivesseveralcontrolmethodswhosefeaturesareresearchedandcomparedinthisdesign.OnthebasisofabovePLCandinvertersmethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.ThenconstantpressuresupplywatercontrollerisdesignedbyPID.Thedesignofthesystemshardwareandsoftenisintroducedthoroughly,Thedesignofinverterconstantpressurewatersupplysystemcanbeappliedtomanyinternalwatersupplysystems,theeffectofwhichisstable,credibleandenergy-saving.Keywords:Speed-frequencyvariable；Constantpressurewatersupply；PLC武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）11緒論水是生命之源，人類生存離不開水。我國是一個水資源和電能相對短缺的國家，現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市的高層建筑越來越多，在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水壓力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時供水壓力不足，用水低峰期時供水壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故），采用各種自動化手段來節(jié)約用水、節(jié)約用電已經(jīng)成為我們國家發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，會造成更大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。但是用戶用水量是經(jīng)常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機(jī)運行的安全可靠性。本設(shè)計采用簡單實用的PLC和變頻調(diào)速技術(shù)，集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體去改造傳統(tǒng)的城市高樓供水系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.1高層建筑供水方式的發(fā)展我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動化程度低。主要表現(xiàn)生產(chǎn)生活中的用水量常隨時間而變化，季節(jié)、晝夜相差很大。在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象；而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質(zhì)的安全與可靠性。而變頻調(diào)速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，設(shè)備運行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）2可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。對于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)供水機(jī)泵存在日常運行費用太高，供水成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是困擾企業(yè)的一個長期問題。目前各供水廠的供水機(jī)泵設(shè)計按最大揚程與最大流量這一最不利條件設(shè)計，水泵大多數(shù)時間在設(shè)計效率以下運行。導(dǎo)致電動機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問題(如圖1-1)。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水企業(yè)關(guān)心的焦點問題之一。所以研究設(shè)計基于PLC變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻調(diào)速恒壓供水，如圖1-2)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。圖1-1傳統(tǒng)供水機(jī)泵示意圖圖1-2變頻調(diào)速供水機(jī)泵示意圖1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）3控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)已更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出子恒壓供水專用變頻器(5.5kw-22kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要特點主要是：1）高效節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電20%40%，能實現(xiàn)綠色用電；2）占地面積小，投入少，效率高；3）配置靈活，自動程度高，功能齊全，靈活可靠；4）運行合理，由于一天內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速下降，軸上平均扭矩和磨損減少，減少了維修量和維修費用，水泵的使用壽命大大提高；5）由于能對水泵實現(xiàn)軟啟動，并可消除水錘效應(yīng)；6）操作簡便，省時省力；7）由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:1）小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括